自动化技术在无人化天车的应用

2023-10-18尚伟田有辉冯洪江许云鹤

鞍钢技术 2023年5期

尚伟，田有辉，冯洪江，许云鹤

（本钢信息自动化有限责任公司，辽宁本溪 117021）

钢铁企业天车操作大都依靠人工，定位精度不高，运行过程不平稳，安全性差，容易误操作，生产效率低。随着工业自动化与人工智能的高速发展，先进的自动化控制技术完全达到了无人值守天车的控制要求，可降低企业的劳动力成本，天车无人化已经得到行业普遍的认可。某冷轧厂轧后库共有四台天车，已实现酸轧步进梁下线、倒库，连退步进梁、镀锌步进梁上线功能。为进一步提高生产效率，拟通过对天车系统进行全面改造，并开发天车调度系统、库区管理系统，将计划工单下发至天车系统来自动控制天车运行，实现天车无人化。本文主要从一级控制层面对无人天车控制系统进行介绍。

1 无人化天车系统架构及组成

无人化天车系统包括：天车本体控制系统、天车本体传动系统、夹钳系统、防摇控制系统以及地面站PLC控制系统等。天车系统总体架构见图1。

图1 天车系统总体架构图Fig.1 Overall Structure Diagram for Travelling Overhead Crane System

1.1 天车本体系统

1.1.1 天车本体控制系统

天车本体控制系统是整个控制系统的核心，负责接收或采集各种输入信号，通过预先制定的规则（程序）判断后，输出给执行机构，控制天车运行，包括速度控制、位置控制和各种传感器的数据采集等。天车本体控制系统硬件采用西门子S7-300 PLC，系统总线采用Profibus-DP。

1.1.2 天车本体传动系统

天车本体传动系统是电机设备位置控制、速度控制的核心，通过对具体的设备进行辨识及优化各控制参数，保证整个设备的稳定、准确、快速运行。大车、小车、主钩传动系统采用ABB ACS800系列变频器控制，传动装置通过Profibus-DP总线接入到天车本体PLC控制系统进行数据交换。天车本体控制及传动系统网络结构如图2所示。

图2 天车本体控制及传动系统网络结构图Fig.2 Controlling of Travelling Overhead Crane Body and Network Structure Diagram for Transmission System

1.2 夹钳系统

在整个无人天车系统中，夹钳的自动控制最为重要，为了确保天车在无人条件下，实现自动吊运，需要在夹钳上安装各种传感器，并将传感器的信息采集到天车本体PLC控制系统，再由天车中枢进行统一管理，进而实现安全和稳定的吊运。夹钳PLC系统硬件采用西门子 S7-1500 PLC。夹钳PLC系统网络结构如图3所示。

图3 夹钳PLC系统网络结构图Fig.3 Network Structure Diagram for Clamp PLC System

1.3 防摇控制系统

防摇控制系统采用西门子防摇系统［1］，如图4所示。防摇系统由防摇控制器和摄像头组成。摄像头实时拍摄安装在主钩侧面的反光板，并将信号传递给防摇控制器，防摇控制器根据拍摄的信号计算出摆幅、摆长等来进行控制输出，防摇控制器通过Profibus-DP总线连接到天车本体PLC系统，将防摇控制输出值传递给天车本体PLC，天车本体PLC则根据防摇控制器输出值控制变频器输出，进行防摇控制。

图4 防摇系统网络结构图Fig.4 Network Structure Diagram for Anti-swing System

1.4 地面站PLC控制系统

地面站PLC系统采用西门子S7 1200 PLC系统，主要负责采集酸轧、连退、镀锌机组一级、二级数据，包括步进梁位置、钢卷详细信息、钢卷状态等，数据采用单向传输，只接受不发送，步进梁的联锁控制采用双向传输，主要传输锁定和解锁信息，反馈应答。

2 主要控制功能

2.1 大车、小车、主钩变频控制

无人天车系统要求控制天车平稳的运行，平稳的加速及减速离不开变频控制，并且对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时准确的检测而自动采取应变措施保护电机。

调速方法采用目前国际先进技术，具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速由PLC管理，并进行无级调速。

2.1.1 天车传动控制优点

天车传动控制采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。该方法具有如下优点：

（1）再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0 Hz。

（2）利用变频调速结合电磁制动器，可保持重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），可防止平移过程中易出现的瞬间断电。因此，利用电磁制动器（液压制动）进行机械制动是必须的。

（3）变频器制动结合直流制动，可防止变频器直流回路电压升高，电容被过充电，变频器保护停机。

2.1.2 天车传动控制注意事项

天车控制系统中还需要引起注意的是防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：

（1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间的，经精确测试，大约0.6 s。因此，变频器如过早停止输出，将容易出现溜钩。

（2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。

（3）制动器的动作由变频器控制。在抱闸打开前变频器先建立转矩，达到一定程度的转矩电流后再打开抱闸，可以防止打开抱闸时瞬时溜钩。制动器的关闭则是在电机转速小于一定转数（10 r/min）抱闸关闭，这种控制方式能避免抱闸关闭延时引起的溜钩。

2.2 天车定位功能

天车大车（X轴）、小车（Y轴）定位采用的是激光定位，主钩（Z轴）定位采用绝对值编码器。

2.2.1 X轴、Y轴激光定位

激光定位技术是比较新的定位技术，激光定位主要是利用激光具有方向性、单色性以及相干性好，激光束的发散角很小等优点，几乎是一平行光线。主要应用于钢铁行业、仓储行业、港口物流。激光定位的特点：

（1）安装简单，适应钢铁企业恶劣的工况环境；

（2）精度高，在厂房内精度可控制1 mm以内；

（3）成本较低。

2.2.2 Z轴绝对值定位

为了确保无人天车吊运更加精准，在天车上必须添加Z轴定位设备（夹钳高度定位）。所以在本系统中，添加夹钳绝对值编码器，亦称为多圈式绝对编码器，它是由机械位置确定编码。其优点一是每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。二是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，安装时不需要找零点，将某一位置作为起始点就可以，大大简化了安装调试的难度。

在天车程序控制逻辑中，大车、小车、主钩还根据定位值设置大车、小车，主钩减速位、停止位等软限位信号联锁，增加天车运行联锁保护功能。

2.3 天车防碰撞控制

防碰撞是无人天车的一个安全保护功能，防碰撞系统采用光栅监测技术，当两台天车之间的距离接近到一定程度时，光栅发出的光会打在相邻天车的反射板上，收到放射信号后，系统会发出报警信号。控制天车进行减速或停车，保证同跨两台天车不会发生碰撞。

2.4 夹具防摇控制

在天车的运动过程中由于速度等因素变化导致天车夹具晃动，夹具的摆动对天车吊运钢卷产生了一些影响，严重时可导致钢卷掉落，造成安全事故。传统的天车运行中，天车操作人员利用速度和经验可以减少夹具摆动，但是在无人天车的系统中，一般都采用防摆控制器控制天车运行速度，自动降低夹具的摆动，进而保证无人天车的平稳运行。

防摆控制器可根据感测信号计算得出摆动周期，并根据摆动周期计算得出大车、小车的减速和加速时间信息。车上变频器可将减速时间信息转换成减速控制信号，将加速时间信息转换成加速控制信号。大车、小车机械驱动装置可以根据减速或加速控制信号控制天车大车、小车减速或加速移动。

起始阶段，通过控制大车、小车加速度，实现物理消摆，在消摆位置大车、小车速度达到全速，随后的中间过程大车、小车以最大速度匀速无摆动运行，这样的控制天车效率最高。当天车接近目标位置的时候，同样通过控制大车、小车的加速度，实现与起始阶段相反的过程，当到达指定的位置上方时，夹具完全消摆，防摆控制原理如图5所示。

图5 防摆控制原理图Fig.5 Anti-swing Control Schematic Diagram

2.5 5G-WIFI双链路通讯控制

天车本体PLC系统与夹钳PLC系统需要进行数据通讯，获取夹钳数据，主要有夹钳运行状态及夹钳上传感器数据（负载感知、加紧感知、对中传感器、加紧编码器）等。考虑到天车本体PLC系统与夹钳PLC系统通讯的重要性，系统采用了5G与WIFI双链路通讯技术，通过在物理上搭建5G、WIFI双链路网络，在天车本体PLC系统与夹钳PLC系统通讯程序上，建立双链路通讯连接。当5G网络正常时，天车本体PLC系统与夹钳PLC系统通过5G网络进行数据传输；当5G网络出现故障时，自动切换至WIFI网络进行数据传输，当5G网络恢复正常后，自动切回到5G网络，保证通讯更加可靠。